雪花梨废弃物转化乙醇的工艺研究

郝秋娟，马同锁，于子箫，李 娜，郝东旭

（1.河北经贸大学生物科学与工程学院，河北石家庄 050061；2.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010；3.河北经济管理学校，河北石家庄 050071）

雪花梨废弃物转化乙醇的工艺研究

郝秋娟1，马同锁1，于子箫2，李 娜1，郝东旭3

（1.河北经贸大学生物科学与工程学院，河北石家庄 050061；2.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010；3.河北经济管理学校，河北石家庄 050071）

为掌握雪花梨废弃物发酵工艺条件，在单因素试验的基础上，运用正交试验设计方法对雪花梨废弃物带渣发酵工艺进行了研究和优化。结果表明，雪花梨废弃物最佳发酵工艺条件为（NH4）2SO4添加量1.5 g/L，发酵温度28℃，初始pH值5.5，接种量为8%，酒精度达6.3%（V/V）。

雪花梨；废弃物；乙醇

雪花梨属于蔷薇科植物，是我国仅次于柑橘和苹果之后的第三大水果[1]，富含糖类、多种氨基酸、维生素、有机酸等，营养丰富，也特别容易腐烂。据统计，我国每年产生的果蔬废弃物高达1.0×104t，其中大部分被随意丢弃到环境中，造成了环境污染[2]。目前，我国对果蔬废弃物的处理方式主要有好氧堆肥法生产肥料[3-7]和厌氧消化法生产沼气[8-14]，除此之外，还有部分学者进行了果蔬废弃物转化为生物乙醇的研究[15-17]，但是关于雪花梨废弃物转化乙醇的研究尚未见报道。若实现雪花梨废弃物转化乙醇，将更经济合理地处理和利用梨废弃物，同时缓解能源危机。经过乙醇发酵的废料还可以生产有机肥料，更加彻底地利用梨废弃物。因此，如何合理有效利用雪花梨废弃物具有重要意义。试验以雪花梨废弃物为原料，采用单因素试验确定了（NH4）2SO4添加量、发酵初始pH值、发酵温度、接种量等因素，进而采用正交试验确定了雪花梨废弃物转化乙醇的最佳工艺，为以雪花梨废弃物为原料采用液体发酵制备燃料乙醇提供了理论依据，为燃料乙醇的制备提供新原料。

1 材料与方法

1.1 材料

雪花梨，采自河北赵县；酒精酵母，河北经贸大学实验室保存。

1.2 仪器与设备

25D型生化培养箱，金坛市天竟实验仪器厂产品；LYT-330型折光仪，上海淋誉公司产品；SARTORIUS型赛多利斯分析天平，北京赛多利思仪器系统有限公司产品；LDZX-50FBS型立式压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂产品。

1.3 试验方法

1.3.1 腐烂雪花梨的处理

将腐烂30%以上雪花梨的腐烂部分除去，剩余部分切碎，用组织捣碎机捣碎，蒸煮灭菌。

1.3.2 单因素试验

将250 g经粉碎处理的雪花梨装入500 mL的锥形瓶若干瓶，蒸煮灭菌，其中分别控制（NH4）2SO4添加量、发酵温度、初始pH值、接种量进行发酵，每隔12 h分别测定其失质量情况，发酵结束测定酒精含量，以确定最佳发酵工艺条件。

1.3.3 正交试验

根据单因素试验的结果，以酒精产率作为考查指标，进一步设计L9（34）正交试验，以确定最佳发酵工艺条件。

发酵工艺优化正交试验因素与水平设计见表1。

表1 发酵工艺优化正交试验因素与水平设计

1.3.4 检测分析方法

酒精度采用比重计法测定。

2 结果与分析

2.1 硫酸铵添加量的确定

将250 g经粉碎处理的雪花梨装入500 mL的锥形瓶若干瓶，自然pH值，接种量6%，分别添加0，0.5，1.0，1.5，2.0 g/L的硫酸铵，灭菌，冷却后接种，于28℃条件下发酵，发酵终了测定酒精度。

硫酸铵添加量的确定见图1。

图1 硫酸铵添加量的确定

由图1可知，在相同发酵条件下，酒精度随硫酸铵添加量的增大，出现先上升后下降的变化趋势，并且硫酸铵添加量为1.5 g/L时，酒精产率最多为6.0%（V/V），故确定硫酸铵的最佳添加量为1.5 g/L。

2.2 发酵温度的确定

温度的高低不仅影响菌体的生长繁殖，还影响菌体新陈代谢的速度和方向。为了考查温度对发酵的影响，设置温度分别为25，28，31，34℃，其他条件不变测定发酵过程失质量情况和发酵后酒精度，以确定最佳发酵温度。

发酵温度对CO2失质量数的影响见图2，发酵温度对酒精度的影响见图3。

图2 发酵温度对CO2失质量数的影响

图3 发酵温度对酒精度的影响

由图2可知，在不同发酵温度下，随着发酵的进行，CO2失质量数越来越多。发酵24 h时，31℃条件下失质量数最多，为2.2 g，25℃失质量数最少，为0.8 g；随着发酵进行至发酵结束时，失质量总量为28℃失质量数＞31℃失质量数＞25℃失质量数＞34℃失质量数。由图3可知，在28℃条件下发酵酒精产率最高为6.1%（V/V），31℃条件下次之为6.0%（V/V），25℃条件下酒精产率最低，为5.6%（V/V）。综合考虑，发酵温度为28℃时，CO2失质量最大，酒精度最高。故选择最佳发酵温度为28℃。

2.3 发酵pH值的确定

pH值的高低不仅影响底物的解离情况，还影响细胞对营养物质的吸收，进而影响微生物细胞的生长繁殖和代谢方向。为了考查pH值对发酵的影响，分别控制发酵初始pH值5.0，5.5（自然），6.0，6.5，其他条件不变测定发酵过程失质量情况和发酵终了酒精度，以确定最佳发酵初始pH值。

pH值对CO2失质量数的影响见图4，初始pH值对酒精度的影响见图5。

图4 pH值对CO2失质量数的影响

由图4可知，在不同发酵pH值条件下，随着发酵的进行，CO2失质量数越来越多。随着pH值升高，CO2失质量数呈现先增大后减小的趋势。发酵24 h时，pH值5.5条件下CO2失质量数最多，为2.0 g；pH值6.5条件下失质量数最少，为0.8 g，故在pH值5.5时发酵最快。发酵结束时，失质量总量为pH值5.5失质量数＞pH值5.0失质量数＞pH值6.0失质量数＞pH值6.5失质量数。由图5可知，发酵结束时，pH值5.5条件下酒精产率最高，为6.1%（V/V）；pH值6.5条件下酒精产率最低，为5.7%（V/V）。综合考虑，发酵pH值为5.5时，CO2失质量最大，酒精度最高。故选择最佳发酵初始pH值为5.5。

2.4 酵母接种量的确定

接种量过低，会导致迟滞期过长，进而影响发酵周期，影响设备利用率和发酵效率；接种量过高，会影响目的产物收率。为了考查接种量对发酵的影响，分别控制接种量2%，4%，6%，8%，10%，其他条件不变，测定发酵过程失质量数及发酵终了酒精度，以确定最佳接种量。

接种量对CO2失质量数的影响见图6，接种量对酒精度的影响见图7。

图5 初始pH值对酒精度的影响

图6 接种量对CO2失质量数的影响

图7 接种量对酒精度的影响

由图6可知，在不同发酵pH值条件下，随着发酵的进行，CO2失质量数越来越大，并且随着接种量增大，CO2失质量数呈现先增大后减小的趋势，发酵24 h时，接种量为6%～10%时，CO2失质量数无明显差异；接种量为2%～4%时，CO2失质量数略低。发酵结束时，接种量为6%时失质量数最大，为7.8 g。

由图7可知，发酵结束时，接种量为6%时酒精产率最高，为5.9%（V/V）；接种量为10%时酒精产率最低，为5.4%（V/V）。综合考虑，接种量为6%时，CO2失质量数最大，酒精度最高，故选择最佳接种量为6%。

2.5 正交试验

为了考查各单因素之间的交互作用，根据发酵单因素试验的结果，进一步设计L9（34）正交试验，以确定最佳发酵工艺。

发酵工艺优化正交试验结果与分析见表2。

表2 发酵工艺优化正交试验结果与分析

由表2可知，在发酵工艺优化的正交试验中，对酒精度影响大小顺序依次是A＞C＞B，即发酵温度＞接种量＞初始pH值，最佳发酵工艺条件组合为A2B2C3，即发酵温度28℃，初始pH值5.5，接种量为8%。经验证试验，最佳发酵工艺条件下酒精含量达6.3%（V/V）。

3 结论

雪花梨废弃物转化燃料乙醇发酵最佳条件为（NH4）2SO4添加量1.5 g/L，发酵温度28℃，初始pH值5.5，接种量为8%。在此工艺条件下，酒精含量达6.3%（V/V）。利用雪花梨废弃物转化燃料乙醇发酵工艺的确定，为燃料乙醇的制备提供了新的原料，为水果废弃物的合理化利用、变废为宝提供了新思路。

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Study on the Conversion of Snow Pear Waste into Alcohol

HAO Qiujuan1，MA Tongsuo1，YU Zixiao2，LI Na1，HAO Dongxu3
（1.College of Biological Science and Engineering，Hebei University of Economics and Business，Shijiazhuang，Hebei 050061，China；2.School of Life Science and Engineering，South West University of Science and Technology，Mianyang，Sichuan 621010，China；3.Hebei Economic Management School，Shijiazhuang，Hebei 050071，China）

Based on the single factor experiment，the orthogonal experiment design method was used to study the fermentation process of the waste of the snow pears.The results showed that the most optimum fermentation conditions were obtained as follows，the（NH4）2SO4addtion 1.5 g/L，fermentation temperature 28 ℃，initial pH value 5.5，inoculation amount 8%，the biggest alcohol content was 6.3% （V/V） .

snow pears；waste；alcohol

S216.4

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.11.006

1671-9646（2017） 11a-0021-03

2017-09-06

河北省高等学校科学研究计划项目（QN2015092）；河北省科技支撑计划项目（14236802D-2）；河北经贸大学大学生创新实验项目（201500043）。

郝秋娟（1976— ），女，硕士，讲师，研究方向为应用微生物方向的教学和研究。